(57)【要約】【課題】レーザーアニールによる圧電体の結晶化によって、安価でしかも高性能な圧電素子を製作する。【解決手段】圧力室２、液体供給口３、ノズル４等を含む液流路となる溝を形成したＳｉ基板１に耐熱ガラスの振動板５を陽極接合し、その上に下部電極１１を成膜したのち、アモルファスの圧電体膜を成膜し、圧力室２に対応する部位にレーザー光を照射し、結晶化させることで圧電膜１２を形成する。レーザー光を照射しないアモルファス部分１２ｂとの間には、アモルファスと結晶が混在する中間層１２ｃが設けられ、これらの領域上には、上部電極１３を外部に接続するワイヤーボンディングのためのパッド１４が形成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子によって圧力室を加圧し、吐出口から液体を吐出する液体吐出ヘッドの製造方法において、
前記圧電素子の材料としてアモルファスの圧電体膜を形成する工程と、
該アモルファスの圧電体膜にレーザー光を照射して結晶化させることで前記圧電素子を形成する工程と、
を有することを特徴とする液体吐出ヘッドの製造方法。
【請求項２】
前記圧電素子を形成する工程において、前記アモルファスの圧電体膜の、前記圧力室に対応する部位に選択的にレーザー光を照射することを特徴とする請求項１記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
【請求項３】
前記圧電素子を形成する工程の後に、前記圧電素子上に上部電極を形成することを特徴とする請求項１または２記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
【請求項４】
前記圧電素子を形成する工程において、レーザー光を照射する前に、前記アモルファスの圧電体膜上にレーザー透過性を有する上部電極を形成することを特徴とする請求項１または２記載の液体吐出ヘッドの製造方法。
【請求項５】
請求項１記載の液体吐出ヘッドの製造方法によって製造された液体吐出ヘッド。
【請求項６】
アモルファスと結晶とが混在する領域が前記圧電素子と一体に設けられていることを特徴とする請求項５記載の液体吐出ヘッド。
【請求項７】
前記圧電素子上に、酸化物からなる上部電極が形成されていることを特徴とする請求項６記載の液体吐出ヘッド。
【請求項８】
前記上部電極を外部配線に接続するための配線部が、前記領域の上に設けられていることを特徴とする請求項７記載の液体吐出ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子の駆動力によってインク等液体を吐出するオンデマンド型の液体吐出ヘッドの製造方法および液体吐出ヘッドに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、高品位のカラー印刷を安価に行うプリンターとしてインクジェットプリンター等の液体吐出記録装置が普及している。液体吐出記録装置は、紙面への印刷のみならず、捺染、工業用の薬液やパターン材料の塗布など極めて広い分野への応用が期待されている。代表的な液体吐出記録装置の方式としては、圧電素子を用いる圧電方式と、ヒーター加熱を用いるサーマル方式があり、いずれも高性能化が進んでいる。
【０００３】
圧電方式の液体吐出記録装置に関しては、現在製品化されているものは、一般にバルクの圧電体、例えばＰｂ（Ｚｒx Ｔｉ(1-x )）Ｏ3 （以下「ＰＺＴ」という）などを用いており、このことから、ヘッドの高密度化、長尺化には限界があるといえる。そこで、この技術的課題を解決するために、圧電体に薄膜を用いた液体吐出ヘッドの作製も試みられている。圧電体に薄膜を用いた液体吐出ヘッドの製造方法の一つとしては、特許文献１等に開示されている方法がある。この方法では、まず、Ｓｉ基板を加熱することにより、表面にＳｉＯ2 熱酸化膜を形成し、これを振動板とする。さらに、この振動板上に下部電極、圧電膜、上部電極を形成する。その後裏面側からＳｉ基板をエッチングすることにより液流路を形成し、最後にこの液流路をノズルプレートで被い圧力室を形成する。この方法は、圧電素子を液流路形成前に行うことに特徴がある。
【０００４】
これ以外の製造方法としては、まず、Ｓｉ基板に液流路を異方性エッチングにより形成し、該Ｓｉ基板上に、Ｓｉ基板と熱膨張係数のほぼ等しいガラスからなる振動板を陽極接合することにより圧力室を形成し、振動板上に圧電素子を形成する方法がある。
【０００５】
図５は一従来例による液体吐出ヘッドを示すもので、Ｓｉ基板１０１に圧力室１０２、液供給口１０３、ノズル１０４等の液流路となる溝を異方性エッチングにより形成し、その上に振動板１０５を陽極接合し、振動板１０５上の、圧力室１０２に対応する部位に、下部電極１０６ａ、圧電膜１０６ｂ、上部電極１０６ｃを有する圧電素子１０６が設けられる。
【０００６】
このような液体吐出ヘッドに使用される圧電体として以下のようなものがある。まず、バルク体を用いるものとしては、バルクセラミックスをＳｉ基板上に接合された振動板に貼付ける方法（特許文献２参照）や、圧電体の薄膜を用いるものとしては、別の基板上に薄膜状の電極および圧電体からなる圧電素子を作製し、該圧電素子をＳｉ基板上の振動板に接着（転写）する方法（特許文献３参照）や、スクリーン印刷によって振動板に薄膜状の圧電素子を直接形成する方法（特許文献４および特許文献５参照）がある。
【特許文献１】特開平１１−１７９９０４号公報
【特許文献２】特開平９−９４９６５号公報
【特許文献３】特開平１０−２８６９５３号公報
【特許文献４】特開平５−２８６１３１号公報
【特許文献５】特開平５−２８６１３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
液流路を圧電素子形成前に加工する製造方法においては、液体吐出ヘッドの高密度化、高精細化、長尺化を考慮した場合、薄膜状の圧電体である圧電膜を用いることは必須であり、特に、圧電膜を振動板上に直接成膜する方法が将来的に必要な技術となってくると考えられる。
【０００８】
しかしながら、成膜技術によって圧電素子を作製する場合、振動板上に、液流路に対応する圧電体の薄膜を帯状にパターン成膜すると、圧電素子の駆動振動により、圧電膜等の剥離やクラックが生じ、特に、膜端においてこの現象は顕著に発生する。
【０００９】
また、吐出の安定性を向上させるためには、インク等液体を吐出する際に圧力室のみに振動を与え、液供給口上では変位しないことが必要である。従って、圧力室上のみに圧電素子を形成する構成が望ましいが、この場合は、前述のように圧電素子の剥離の確率が高くなる。
【００１０】
圧電素子の上部電極にワイヤーボンディングによって配線を接続する場合も、変位する圧電膜上では望ましくない。
【００１１】
さらに、振動板上に薄膜状の圧電体を直接形成する製造方法では、振動板としてガラスを用いると、ガラスの軟化点以下の温度で圧電膜を作製する必要がある。ところが、優れた特性を有するＰＺＴの圧電膜を作製する場合は、少なくとも６００℃以上の温度を必要とする。また、圧力室はＳｉ基板とガラスを陽極接合することにより形成しているため、Ｓｉ基板、ガラスそれぞれの熱膨張係数を等しくする必要があり、これらの理由から、振動板には、耐熱性を有し、しかもＳｉと熱膨張係数が等しいという条件が要求され、振動板材料の選択の幅は制限される。従って、振動板材料の選択幅を広げるためにも、ガラスの軟化点に影響されることなく、良質の圧電膜を形成する技術が望まれている。
【００１２】
本発明は上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、アモルファスの圧電体を低温でしかも効率的に結晶化させることを可能にし、吐出性能の向上や低価格化に大きく貢献できる液体吐出ヘッドの製造方法および液体吐出ヘッドを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するため、本発明の液体吐出ヘッドの製造方法は、圧電素子によって圧力室を加圧し、吐出口から液体を吐出する液体吐出ヘッドの製造方法において、前記圧電素子の材料としてアモルファスの圧電体膜を形成する工程と、該アモルファスの圧電体膜にレーザー光を照射して結晶化させることで前記圧電素子を形成する工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
アモルファスの圧電体膜の結晶化にレーザーアニールを用いることで、圧力室上の圧電体膜のみを選択的に結晶化させ、液供給口付近の領域をアモルファスと結晶が混在する中間層を含む非可動領域として残すことができる。
【００１５】
液供給口上では圧電素子による振動板の変位が起こらないため、インク等液体の吐出特性に優れた液体吐出ヘッドの作製が可能となる。また、圧電素子の端部を変位しないように構成することにより、圧電膜等の剥離を効果的に防止することができる。さらに、この変位しない端部に外部配線を接続することにより、強固な配線が可能となる。
【００１６】
レーザーアニールによる結晶部分とアモルファス状態で残る部分の境界付近への応力集中を回避するために、境界付近でレーザー強度を連続的に変化させ、アモルファスと結晶が混在する中間層を設ける。
【００１７】
アモルファスの圧電体膜を結晶化する工程で、部分的かつ選択的な加熱が自在であるレーザーアニールを用いることにより、基板全体の加熱によってアニールする場合に比べて、ガラス等の振動板の昇温による変形や軟化を回避できるうえに、基板と振動板の熱膨張係数差の影響も少なくなるため、振動板材料の選択の範囲が広がるという利点もある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は一実施の形態による液体吐出ヘッドを示す。この液体吐出ヘッドは、まず基板であるＳｉ基板１に圧力室２、液供給口３、ノズル４等の液流路となる溝を加工し、その上に、ガラス等の振動板５を陽極接合し、その上に、下部電極１１、ＰＺＴ等の圧電膜１２を含む圧電素子１０を形成したもので、上部電極１３には、パッド１４を介してワイヤーボンディングによる配線１５が接続されている。
【００１９】
圧電膜１２は、レーザーアニールにより、アモルファスの圧電体膜を圧力室２の形状に対応して部分的かつ選択的に結晶化したレーザーアニール膜である。結晶化した圧電膜１２は上部電極１３、下部電極１１に電圧を印加すると圧電現象を生じるが、液供給口３に対応する残りのアモルファス部分１２ｂでは圧電現象は生じない。また、圧電現象を生ずる部分の圧電膜１２と圧電現象を生じないアモルファス部分１２ｂの境界においてクラック等の発生を低減するために、両者の間に、結晶とアモルファスが混在する中間層１２ｃを形成した。
【００２０】
このように、圧力室２上のみに圧電膜１２を設け、液供給口３やパッド１４等の結線部分上には非可動領域であるアモルファス部分１２ｂおよび中間層１２ｃを設けることにより、安定性および耐久性に優れた液体吐出ヘッドの作製が可能となる。また、振動板５上に形成したＰＺＴ等を局部的にレーザーアニールによって結晶化するものであるため、基板全体を加熱する場合に比べて、ガラス等の振動板５に対する熱の影響を少なくすることができ、振動板材料の選択幅が拡大する。
【実施例１】
【００２１】
図２は実施例１による液体吐出ヘッドの製造方法を示す工程図であり、まず、同図の（ａ）に示すように、Ｓｉ（１００）基板１に、異方性エッチングにより図１の圧力室２、液供給口３、ノズル４等を含む液流路となる溝を形成する。この方法では、半導体加工プロセスを用いてノズルの高密度化・長尺化が可能で、液体吐出ヘッドとして高い解像度を得ることができる。
【００２２】
次に、図２の（ｂ）に示すように、振動板５となるガラス板を、Ｓｉ基板１上に陽極接合する。陽極接合の方法は、Ｓｉ基板１とガラス板を押し付け合うようにした状態で加熱し、これらの間に電界を印加して行う。ガラス材料としては、Ｓｉと陽極接合できる材料であることが必要であり、また、その上に形成したアモルファス状のＰＺＴをレーザーアニールにより結晶化させることから、Ｓｉ基板と熱膨張係数が近い程、また軟化点温度が高い程好ましい。本実施例では耐熱ガラスを用いた。ガラスを陽極接合した後、厚さが１〜１０μｍになるまで研磨し、これを振動板５とした。
【００２３】
次に、図２の（ｃ）に示すように、振動板５上に、スパッタ法によりＴｉ膜および下部電極１１となるＰｔ膜を室温で成膜した。ここで、Ｔｉ膜は密着層であり約２０ｎｍの厚さに成膜した。また、Ｐｔ膜は圧電素子の下部電極１１として、約１００〜３００ｎｍの厚さに成膜した。ここで、電極材料はＰｔに限らず、Ａｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｐｔ等の金属材料、またはＳｒＲｕＯ3 、ＬａＮｉＯ3 等の酸化物電極材料を用いてもよい。
【００２４】
次に、図２の（ｄ）に示すように、アモルファスのＰＺＴである圧電体膜１２ａをスパッタ法により室温で約１〜１０μｍの厚さに成膜した。ＰＺＴの成膜法はスパッタ法に限らず、ＭＯＣＶＤ法等の真空成膜法、またはゾルゲル法等を用いてもよい。また、膜厚は振動板５の厚さとの関係で最も変位量が大きい膜厚を選択する必要がある。
【００２５】
図２の（ｅ）に示すレーザーアニール工程では、レーザー光Ｐを用いて圧力室２上の部位にある圧電体膜１２ａを選択的に結晶化させる。ここで、アモルファスのＰＺＴの透過率Ｔは、図４のグラフに示すようにレーザー光の波長によって変化することが知られており、波長が３６０ｎｍ以下のレーザーを選択する必要がある。この理由から、レーザー光ＰとしてＡｒＦ（λ＝１９３ｎｍ）、ＫｒＦ（λ＝２４８ｎｍ）、ＸｅＣｌ（λ＝３０８ｎｍ）、ＸｅＦ（λ＝３５１ｎｍ）を用いることができる。
【００２６】
レーザーアニール工程では、生産性を向上させるために、レーザー光Ｐは耐熱ガラスの振動板５が変形しない程度に、照射面積を広くすることができるものを用いるか、もしくは同時に複数のレーザーを用いるとよい。また、アモルファスと結晶の境界部分は、圧電素子の駆動に起因する応力の集中を避けるために、レーザー強度を徐々に変化させるか、あるいはレーザーの照射時間を変化させて、図１に示すように、アモルファスおよび結晶が混在する中間層１２ｃを形成する。中間層１２ｃは、圧力室２側では結晶化したＰＺＴの割合が多く、液供給口３側ではアモルファス状のＰＺＴの割合が多い構成とする。
【００２７】
次に、図２の（ｆ）に示すように、上部電極１３としてＰｔ膜を約１００〜３００ｎｍの厚さに成膜した。この場合も、スパッタ法を用いて室温で成膜した。ここで、電極材料としてＰｔに限らずＡｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｐｔ等の金属材料、またはＳｒＲｕＯ3 、ＬａＮｉＯ3 等の酸化物電極材料を用いてもよい。また、電極の成膜には、ＭＯＣＶＤ法等の真空成膜法やゾルゲル法等を用いてもよい。
【００２８】
このように圧電素子層１１〜１３を形成した後、図２の（ｇ）に示すように液流路に対応する部分以外の部分の上部電極１３と圧電膜１２をエッチングして除去するパターニングを行う。最後に、前述のように非可動領域にワイヤーボンディングによる配線をする。
【実施例２】
【００２９】
図３は実施例２による液体吐出ヘッドの製造方法を示す工程図であり、同図の（ａ）に示すように、まず、Ｓｉ（１００）基板１に、異方性エッチングにより図１の圧力室２、液供給口３、ノズル４等を含む液流路を形成する。なお、図３の（ａ）〜（ｄ）の工程は図２の（ａ）〜（ｄ）と同様である。また、上部電極２３以外は実施例１と同様であるから同一符号で表わす。
【００３０】
次に、図３の（ｂ）に示すように、振動板５となるガラス板を、Ｓｉ基板１上に陽極接合する。陽極接合の方法は、Ｓｉ基板１とガラス板を押し付け合うようにした状態で加熱し、これらの間に電界を印加して行う。ガラス材料としては、Ｓｉと陽極接合できる材料であることが必要であり、また、その上に形成したアモルファスのＰＺＴをレーザーアニールにより結晶化させることから、Ｓｉ基板と熱膨張係数が近い程、また軟化点温度が高い程好ましい。本実施例では耐熱ガラスを用いた。ガラス板を陽極接合した後、厚さが１〜１０μｍになるまで研磨し、これを振動板５とした。
【００３１】
次に、図３の（ｃ）に示すように、振動板５上に、スパッタ法によりＴｉ・Ｐｔ膜を室温で成膜した。ここで、Ｔｉ膜は密着層であり約２０ｎｍの厚さに成膜した。また、Ｐｔ膜は圧電素子の下部電極１１として、約１００〜３００ｎｍの厚さに成膜した。ここで、電極材料はＰｔに限らずＡｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｐｔ等の金属材料、またはＳｒＲｕＯ3 、ＬａＮｉＯ3 等の酸化物電極材料を用いてもよい。
【００３２】
次に、図３の（ｄ）に示すように、アモルファスの圧電体であるＰＺＴの圧電体膜１２ａをスパッタ法により室温で約１〜１０μｍ成膜した。ＰＺＴの成膜法はスパッタ法に限らず、ＭＯＣＶＤ法等の真空成膜法、またはゾルゲル法等を用いてもよい。また、膜厚は振動板５の厚さとの関係で最も変位量が大きい膜厚を選択する必要がある。
【００３３】
さらに、この上に図３の（ｅ）に示すように、上部電極２３としてレーザー光Ｐを透過する電極膜を約１００〜３００ｎｍの厚さに成膜した。この場合も、スパッタ法を用いて室温で成膜したが、ＭＯＣＶＤ法等の真空成膜法、またはゾルゲル法等を用いてもよい。ここで、電極膜の材料はレーザー光を透過し、かつ導電性を有するものであればよい。本実施例ではＩＴＯを用いた。
【００３４】
次に、図３の（ｆ）に示すように、レーザー光Ｐを用いて圧力室２上のＰＺＴを選択的に結晶化させた。ここで、アモルファス状のＰＺＴの透過率は図４に示すように変化するため、実施例１と同様に、波長が３６０ｎｍ以下のレーザーを選択する必要がある。また、ＩＴＯは３００ｎｍ付近で透過率が低下する。これらの理由から３００ｎｍから３６０ｎｍの間に波長を有するレーザーを用いる必要があり、ＸｅＦレーザー（λ＝３５１ｎｍ）が適当である。
【００３５】
また、上部電極２３がレーザーを吸収する場合でも、電極膜の厚さが圧電体よりも非常に薄い場合は、電極で発生した熱を伝導するので、例えばＡｒＦレーザー（λ＝１９３ｎｍ）、ＫｒＦレーザー（λ＝２４８ｎｍ）を用いることもできる。
【００３６】
レーザーアニール工程では、生産性を向上させるために、レーザー光Ｐは耐熱ガラスの振動板５が変形しない程度に、照射面積を広くするとよい。もしくは同時に複数のレーザーを用いることもできる。また、アモルファスと結晶の境界部分は、圧電素子の駆動に起因する応力の集中を避けるために、レーザー強度を徐々に変化させるか、またはレーザーの照射時間を変化させて、図１に示すようにアモルファスおよび結晶からなる中間層１２ｃを形成する。中間層１２ｃは、圧力室２側では結晶化したＰＺＴの割合が多く、液供給口３側ではアモルファス状のＰＺＴの割合が多い構成とする。
【００３７】
圧力室２上のＰＺＴを結晶化させた後、図３の（ｇ）に示すように、液流路に対応する部分以外の部分の電極、ＰＺＴをエッチングして除去するパターニングを行う。最後に、非可動領域にワイヤーボンディングによる配線をする。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】一実施の形態による液体吐出ヘッドを示すもので、（ａ）は液流路に沿った断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿ってとった断面図である。
【図２】実施例１による液体吐出ヘッドの製造方法を示す工程図である。
【図３】実施例２による液体吐出ヘッドの製造方法を示す工程図である。
【図４】アモルファスＰＺＴの透過率を示すグラフである。
【図５】一従来例による液体吐出ヘッドを示すもので、（ａ）は液流路に沿った断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿ってとった断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１    Ｓｉ基板
２    圧力室
３    液供給口
４    ノズル
５    振動板
１１    下部電極
１２    圧電膜
１２ａ    アモルファスの圧電体膜
１２ｂ    アモルファス部分
１２ｃ    中間層
１３、２３    上部電極
１４    パッド
１５    配線
【図１】
2005349714.tif 000003
【図２】
2005349714.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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